本发明涉及光导纤维缆，尤其是长跨度的包含光导纤维的架空光缆。

已经出现了各种光缆的设计用作包含光导纤维的架空光缆，例如用作一个架空的电力输电系统中的地线。当架设一个架空的电力输电系统时，将这个线路用于单纯的电信目的是方便的，並且也有过通过电力输电系统的地线设置一个通信系统的建议。英国专利2029043B就是把包含光导纤维的电力输电系统的架空地线用作电信目的的例子。

在现有的电力输电线路中其地线内未设置有光导纤维缆，为了在现有的线路中设置光导纤维缆存在着三种供选择的方法。第一种方法是用一个光导纤维地线去取代现有的标准地导体线，如上述英国专利2029043B中的方法;另一个方法是将一条光导纤维缆捆在该系统的电力导体的周围;第三个方法是架设一条悬吊在支承现有系统的电缆塔上的自支承光导纤维架空缆。

上述前二个选择方法既昂贵又不方便，在实施这些改动时，这两种方法均需该电力输电系统完全停止使用。

第三种选择方法提供了较为满意的解决方案。可是並不希望架设包含金属导线的电缆，因为附加的导电电缆出现在一个电力输电系统的电力导线附近，对现有系统的工作状况带来不利的影响。因此必须设置一种非金属的光导纤维缆，而这种光缆已经被推荐出来了。这种公知的架空光导纤维缆由德国劳伦士标准电气公司（Standard ELectric    Lorenz）创造，並且该光缆包括一个螺旋形放置的光导纤维束，四周用一个玻璃纤维加强管围住作为受力件，並在制作该玻璃纤维加强受力件时定位在光导纤维束周围。

虽然这种光缆能在现有的电力输电系统中有效地提供一条自支承的电信线路，但是它还有一些缺点：不仅光缆成本高而且为了在使用条件下减小其损坏所能达到的最大纤维余量是有限的。

本发明的目的是提供一种无金属的架空光导纤维缆，它的造价便宜並且应用有效。

根据本发明的一方面提供一种包括一个细长芯体的光导纤维缆，该细长芯体上确定一个沿表面纵向延伸的槽並且形成光缆的主抗拉受力件，一个或多个光导纤维位于所述槽内，並且封闭该槽的材料、所述的芯体也形成围绕光导纤维的主抗损防护件，在该槽中设置光导纤维束的余量长度。

根据本发明的另一方面提供一种创造光导纤维缆的方法，该光导纤维缆包括设置一个细长芯体，该芯体至少确定一个沿表面纵向延伸的槽，至少在该槽中放置一根光导纤维，並用材料封闭该槽，其中芯体是由具有高弹性系数的非金属材料制作的。

最好该槽具有平底，带状光导纤维单元放置在该平底上，並具有与所述的底宽相近的宽度。

最好是两个这样的光导纤维带状单元彼此平叠放在一起。

该芯体最好是由玻璃增强塑料杆作成的，在一个例子中杆的直径大约是10毫米。该玻璃增强塑料可使用E，S，R或T级玻璃及聚酯、乙烯基酯或环氧树酯为基础的树脂。

制造该芯体最好是采用拉压（pultrusion）工艺。

为了清楚地理解本发明，将参照以下的附图，它们是：

图1：根据本发明第一个实施例的自支承光导纤维缆的横截面图;

图2：根据本发明的非自支承光导纤维缆的第二个实施例;

图3：图1光缆中芯部示意图，它用于解释光缆的设计;

图4：制造图1中所示光缆用的制造设备的示意图;

图5：根据本发明第三个实施例的架空光导纤维缆的横截面图;

图6：制造图5中所示光缆的制造方法的示意图;及

图7：解释关于芯体尺寸的某些计算用的示意图。

参见图1，一个单一材料制成的、具有C形截面1的开槽芯体是由玻璃纤维增强塑料用拉压法（Pultrusion）或类似工艺制造的。它也可利用某些其它非金属的纤维增强合成物制作，並且用作光缆受力件及护层，其弹性系数至少为：40000N/mm2。例如该纤维是一种阿拉米德（aramid）纤维（如Kevlar-RTM）或碳纤维。该树脂是一种聚酯为基础的材料。该玻璃纤维增强材料的弹性系数至少是40000N/mm2，其等级为45000N/mm2，这可使用E级玻璃来达到。当然弹性系数越高越好，使用T级玻璃（日本）可获得70000N/mm2的弹性系数。

槽2一直沿着型材1延伸並设置在型材的外部，当它围绕绞盘9弯曲时就形成余量光缆，这在图4中有详细的交代。槽2用于放置装在一个宽松的管子3A中的光导纤维3。围绕该C形截面型材的外部的是一个组合的塑料包层，它包括一个纵向带13，一个织物绳裹层15和一个挤压成的外皮14。它使光导纤维保持在槽2中。作为选择，可用一种填充件5（用虚线表示）封闭该槽並阻止光导纤维3沿槽2的内表面滑出，而在这种改型中就不必用带13。

在生产光缆时，重要的是加工好的光缆在槽2中具有纤维的余量长度。参见图3及图4，在该方法的最佳实施例中它是这样实现的：将型材1自一个储存卷盘7上拉出、该储存卷盘有一个制动器8用于制动卷盘7的旋转，通过一个绞盘9使型材进入储存鼓10。用一个导向模11伸入槽2内部以保证该槽相对于绞盘9是沿径向向外定向的，尽管已经发现该型材在弯曲时有使该槽向外的自然倾向。该绞盘9的直径接近或等于光缆设计的最小弯曲直径。当型材朝着绞盘行进时，管状光导纤维3、3A从储存卷盘12上供入槽中，並提供一个纵向伸展的聚乙烯带，例如卷盘13A中的带13，带的边缘相互重叠，这样形成组合的包层。在纵向带13上面使用聚酯材料作的螺旋缠绕绷带15，缠绕在缠绕站16处进行。该部分包层的型材1然后绕着绞盘行进，绞盘的直径接近光缆的最小设计弯曲直径，对于8毫米直径的型材芯该弯曲直径约为0.6米的范围内，而对于12毫米直径的型材芯它约为1.5米。该型材绕绞盘直至四圈，该绞盘的作用在于形成光缆中纤维的长度余量。然后在站14A用一个对紫外线（UV）稳定的低密度聚乙烯外皮14挤压套在螺旋缠绕的绷带上，该外皮14与纵向带13结合在一起阻止合成物包层相对于型材1的滑动，例如光缆受钳夹时。

管状纤维供给卷盘12与绞盘9之间的距离保持较短，也即1至2米，虽然该长度能设置长一些，但设有余量的纤维可能被绞盘“拉伸”而围绕绞盘不引起回移。

管状光导纤维的长度余量在制造好的光缆中的获得是由于在型材1的槽2中光导纤维3A的周长差引起的。另外，在前面的程序中当纤维3放置在管3A中时，在围绕纤维3作挤压后，细心地冷却及干 燥管3A，利用管3A围绕光导纤维3的收缩就得到具有余量的纤维。如图3所示，型材1的中轴1A位于槽2底部的下方，这样就能获得管状光导纤维的余量並且当光缆在使用时拉直后该余量就会起作用。

当光缆在离开绞盘9后拉直时，该型材在上槽面上缩短了而在它的离开槽的下表面上伸长了。事实上这可能产生绕其质量中心的转动或弯曲，並且在它的槽中已放置的光缆元件由于获得相对于槽的长度余量，因此变得松驰。已经取得的“余量”必须不会出现沿着绞盘向后方移动。这就需要一个适当高的摩擦系数，或大的接触区域。这可以利用绕绞盘转360°来达到，也即绕一圈，但绕2，3甚至4圈，可以证实在阻止绞盘9及储存鼓10之间的直线部分上余量的回移是必要的，这种回移实际上引起纤维余量的下降。该储存鼓10比绞盘较大些而其尺寸与卷盘7相似，例如直径为1.2米到1.7米。在槽中余量纤维元件的余度将由槽底部与型材中线的距离所决定。这个距离越大则所获得的纤维元件的余量成比例的加大。

如果型材围绕半径r（见图3）弯曲而纤维元件围绕半径r+a+b弯曲，其中a是槽的底部到型材中线的距离，b是纤维元件的转轴与槽底的距离，因此环绕路径长度的差为

(2π（r+a+b）-π.2r)/(2πr) ＝ (a+b)/(r) 。

如果r是型材的最小弯曲半径，例如为300毫米，而a+b为1毫米，则余量松弛度＝1/300＝0.0033＝0.33%。

这将比光缆能承受的最大张力的两倍还大。

这个具有余量的光导纤维被标号为13、15及14的绷带及带保持住。

对于芯体1具有两种适合的尺寸，即型材件直径为8毫米及12毫米。8毫米适应于电缆塔跨距为1100至1400英尺，用于无冰冻的地区，如苏丹或印度;12毫米适于考虑有冰冻的地区，如英国。设想的最大直径为14毫米。对于8毫米尺寸的，槽为4毫米深及3毫米宽，但最好宽为2.5毫米。对于12毫米的型材，槽深在4至6毫米之间，宽度在2.5毫米至3.2毫米之间。

有四根或六根光导纤维3（虽然可以多放到十根），它们被预置放在塑料管3A中。这样作被证实了：当它们放置在型材的槽中时就能产生出可靠的纤维余量。当围绕这些纤维挤压並冷却塑料管时利用控制管子的收缩度能获得大约0.2%至0.25%的余量。可是靠这个余量未必能够够用，进一步的余量利用描述的光缆技术来取得，这种技术能提供约0.5%的附加纤维余量，因此得到的总余量为0.7%-0.75%。若拉伸光导纤维不超出0.25%这个通用标准的话，可能得到更好的余量，即允许在制造好的光缆中有1.00%的伸张率。

当光缆伸直並且未受张力时，管子相对于光缆的余量长度大于光导纤维相对于管子的余量长度。

该型材还具有一个可选择的弯曲面1B（见图3），该面与槽2的对称中心纵向面相一致。型材可选择改型的尖部1C，它围绕在绞盘9上可经受更大的张力，结合光导纤维在一起时在型材的这些端部上比型材其它地方有着更大的极限张力。在使用拉压（Pultrusion）工艺时可以作到这点，並且保证在环绕绞盘时不会导致端部纤维的损坏。

参见图2，这是一个用来被支承缆绳支承的提供选择的设计。在 这里C型截面的型材16直径小于8毫米，大约为3或4毫米，它也是由与图1中型材1相同的材料制作的，它设有一个窄槽17用以在其中放置若干根疏松的丙烯酸纤维3。一个复合物的外层是用与图1中同样方法设置的，其中与图1相似的部分标以相同的标号。这个光缆利用吊索19悬挂在支承件18上。由于该光缆比图1中的实施例承受较少的应力，因而不需要大的纤维余量，並且由于型材16承受了张力，纤维3放置在槽内就能不承受张力，因此在制造好的这种光缆中只设置少量的纤维余量长度。所以槽17的底部将设置在型材16的中线上或低于该中线。

槽17是非常窄的，比图1中的槽要窄得多。

在图1及2的两个实施例中，拉压（Pultruded）制成的型材，或16为光缆自身提供了单独的纵向受力件，它与光缆固体外层及抗压件一起形成一个单一的整体形式的光缆元件。这就提供它的有重大经济性的生产及高速度的生产。这种光缆设计的另一个优点是容易处理：简单地切开槽上方的复合物外层及从槽侧拉出光导纤维就能取出光导纤维。因此这就为能获得触及光导纤维提供了一条“弱”线，再者建议在槽中或者在绷带15及纵向带13之间插入一根撕扯绳（图1中16），利用扯拉该撕扯绳作到能够取出光导纤维。这样一种撕扯绳同样地也可用在图2的光缆上。

另一个优点是玻璃加强的塑料在拉力下不会出现象钢及其它材料出现的“蠕动”。

图1的实施例将具有的允许抗张负载力为36千牛顿（KN）（12毫米直径类型）及20千牛顿（KN）（8毫米直径类型）。该玻璃增强的塑料的热膨胀系数与光导纤维的配合得非常接近並大约 为：0.7×10-61/℃。在结冰半径为12毫米，风速为55哩/小时（mph）及温度为-5.6℃时所允许的光缆跨度为1100到1400英尺，光学安全系数为1.3而机械安全系数为2。在0℃及与上述同样的结冰半径时其最大下垂量约为33英尺。

现在参见图5上的光缆，它包括一个由使用E级玻璃及聚酯或乙烯基酯树脂作玻璃增强塑料制成的拉压后的芯件21。在这个特别的实施例中该芯件具有的直径接近10毫米，芯体上的槽22是在拉压制造工艺时形成的並且与芯体的轴平行。在该实施例中槽宽为3.8毫米及槽底厚度为6.8毫米。槽是矩形截面的並且其角处设有0.5毫米的半径。

如图所示槽中容纳了二个光导纤维带状元件23及24，它们放置在槽的底部。每个带中包含十二根单模式光导纤维，並且在该实施例中每根带宽为3.2毫米及带高为0.35毫米。这些光导纤维带状元件最好根据我们同时递交的英国专利申请（号为8524484，J.R.Gannon3-1-1）中所描述的工艺制作。

这个特别的光缆实施例具有的最大伸张率为0.73%，及最大允许的张力为23.700牛顿（N），它给出的跨距能力可达540米，基于目前的ESI电缆塔，它具有典型的下垂量及英国的（UK）负载及安全系数。

围绕着带槽的芯体是一个绷带25及在绷带25上面的带26。

在带26外面挤压了一个塑料外层27。

在槽22中填充以一种粘性填充复合物28，例如以商标名出售的SYNTEC，一种特别软性的，型号为FCC210F。这种材料是一种非导电的复合物，它能阻止水分的积集但又能允许带状光缆元件 在槽中的上、下运动。

现在参见图6，它表示图5中光缆的制造工艺的示意图。

参考图6（A），在光缆制造中重要的是使制造好的光缆在槽22中能具有一个纤维的余量长度。在该选择的实施例方法中，该余量能这样地获得：将型材21从储存卷盘37上拉出，该卷盘37上有一个制动器38用来使它的转动产生制动，该型材绕着绞盘39再传到储存鼓40上。用一个导向压模41伸入槽22内以使槽保持在相对于绞盘39径向向外的方向上，虽然可以证实型材芯体21在绕绞盘弯曲时有使槽向外方的自然趋势。绞盘39的直径接近或等于光缆设计的最小弯曲直径。当型材向绞盘行进时，带状光导纤维光缆元件23及24分别由储存卷盘42及43经过一个引导件44供给，该引导件44引导带状元件23及24使其一个叠在另一个的上面进入槽内，致使它们在槽22的底部平放着。

紧接着引导件44是一个绷带包扎站45，在该站由卷盘46提供的绷带25被缠绕在芯件21上，以使带状光缆元件保持在槽22中。

这个包扎好的、内部放置了带状元件的芯件21然后绕在绞盘39上，在该实施例中绞盘的直径接近于1米。当该芯件离开绞盘时，绞盘就为带状元件在槽中提供了余量长度，然后它进入水封填充站47。在这里水封粘性材料被泵抽入槽内並填充该槽，粘性材料是通过绷带25上的间隙进入槽内的。

该填充好的光缆芯件然后进入缠带站48，在该站带26被缠绕在光缆芯上。该带是螺旋形缠绕的並用以封闭槽。该带26可以由Kevlar（RTM）制造，用以提供附加抗物理损伤的保护。

该包扎好带的芯件再卷绕在储存鼓50上。

从储存鼓出来的包扎好带的芯件供给一个挤压器49，它用于将外层27挤压在该包扎好的芯件上[图6（B）]。

以上叙述的工艺过程能够作出改型，例如这个工艺过程能划分成两个单独的工艺过程：第一过程包括绕绷带25，经过绞盘39然后直接地进入储存鼓50储存。另一过程是从储存鼓上将绕有绷带的光缆芯件再供给到填充站47，然后再到绕带站48。

因此绕有绷带的、具有纤维余量的芯件可以进行储存，並且然后才进行填充材料及缠绕上带子。

如上所述，绞盘直径为1米，它适应于10毫米的芯体。带状纤维元件的弯曲中心在槽底部上方：（0.25+0.1）/2＝0.175毫米处。芯体的弯曲中心既可利用计算质量中心的方法，也可用模型测量质量中心的方法度量出来。我们得出在芯件断面制作出以前不能作出度量，並且计算与模测是在近似的条件下作出的，即将拉伸系数与压缩系数等同。如是这是确实的话，那么模测质量中心就是合理的近似，並由这些计算得到对10毫米的芯件其偏移为：0.5至0.6毫米。一个最为简便的方法是以放大的尺寸切割一个型材芯件的片状或盘状横截面，将该横截面盘绕各个近似的中心点转动，最后找出平衡点，即为质量中心点。我们发现，对于接近10毫米直径的芯件作出的偏移量为0.55毫米。当然这是一个近似值，因为它依赖于芯件中槽的形状及尺寸。但是我们相信这是一个容许的近似值，因为槽的形状及尺寸是在合理的实际限度内已知的。一般地，槽宽将比槽深对质量中心的影响大。

因此带状纤维元件在芯件长度上的余量长度可以如下计算：

%余量＝（X+h+0.175）· 100/500

其中：X为芯件的园心与质量中心之间的距离，h为园心到槽底之间的距离，0.175为光导纤维带状元件或每个光导纤维带状元件厚度的一半，並且这个余量数字是光缆单位米长度的余量，若假设绞盘39的直径精确地等于1米。

该在光缆中形成的百分率余量明确地依赖于h的数值並也即依赖于槽的有效空间。明显地，如果h增加了就致使余量增加，因此槽的空间就下降了。如果槽空间对于一个特定的预先确定的光导纤维带状元件的余量来说太小的话，那么在带状元件中的光导纤维将要超过它们允许的最小弯曲半径进行弯曲。例如这个半径可能约为75毫米並假设这个数字是由进行的计算得出的。但是一个较小的最小弯曲半径，相对于放置在带层外部的纤维，也即裸纤维的最小弯曲半径是可以取得的，例如为50毫米。如图7所示，槽深也在某些程度上受到芯体外层引起的凹陷的限制，虽然这显然是与所使用的包外层工艺有关的，但是我们得到了对于槽宽为3.2毫米引起大约0.28毫米的凹陷。这一凹陷可以视为与槽宽成正比，因此对于3.8毫米的槽宽将具有0.332毫米的凹陷。

进一步的空间损失是因为在图中所示的型材的上部顶端是作成圆形的，致使这些顶端不能处于型材外部直径上。如果我们假定槽宽固定为3.8毫米正或负0.1毫米，顶端凸缘的半径为标称值0.5毫米，空间损失相对于芯件直径的一种表达式可以推导出来。空间损失在图7中公式B中被定义为Z。在该式中E是顶端的曲率半径，而F是槽2宽度的一半。

因此可以列出表格来表示顶端半径从0.4毫米到0.6毫米范围，槽宽从3.7毫米到3.9毫米范围，芯件直径从9.8毫米到10.4毫米范围中变化时，对于每一个顶端半径可以计算出一个空间损失的数值Z。这个数值Z的范围是从对应于顶端半径0.4，槽宽3.7及芯件直径10.4时的0.56到对应于顶端半径0.6，槽宽3.9及芯件直径9.8时的0.84。

另一个必须要决定的参数是光缆必须承受的载荷。这由下垂量，跨度（这是由国家配电管理局确定的）及光缆重量，风载荷及冰雪载荷（它们随光缆直径变化）来决定。在特殊的设想到的应用中，跨度可从330米到500米中变化，而在12.5毫米冰雪负载及在0℃时下垂量从9.58米到21.45米中变化。甚至具有大下垂量的1500米跨度可能采用来跨越如一个湖或一个宽河。

光缆重量依赖于组成成份，它们是：玻璃增强塑料，光导纤维，填充复合物如SYNTEC，捆扎线，管16，它在该实施例中为纸，及外层复合物，它在该实施例中是高密度聚乙烯或交联链的聚乙烯，但是利用比聚乙烯更抗磨损的材料制作更具优点。光缆的重量被证实不是主要因素，並且槽是光缆重量中的较小部分。因此假设槽面积A等于3.8×h是合理的。在一个10毫米的芯件中，对于0.5%的余量需要5-1.9-0.7＝2.4毫米作为h。这也与0.54%余量时的75毫米的最小纤维弯曲半径相当。对于面积A＝3.8×2.4＝9.12毫米2並且平均槽密度为1，该重量对于槽来说每米为0.089牛顿（N）。

芯件的面积等于πr2-9.12-0.7×1.9，並且如果该玻璃增强塑料的密度为2.07，以及由于纸件部分地浸渍了填充 复合物后增加了它的密度、大约为0.95，因此外层加上具有离外层2.5毫米直径增量的纸/绷带就得到每米0.412牛顿（N）的总重量。

因此可以对于芯件直径从9.8到10.4变化时计算出光缆的重量，所得到的重量范围为从每公里177公斤至每公里196公斤。

下列的表用于表示对于从9.0至10.4中间变化的芯件直径的各参数值，由它可以看出：仅是芯件直径在9.7毫米以上者才能容纳二个光导纤维带状元件並保持满意的余量值。

因此很适宜选择芯件的直径大约为10毫米。在低于9.7毫米时，h数值的公差限度对于一般的制造工艺来说是太苛刻了。

由理论分析得出槽高h可以选择1.4毫米至2.2毫米之间的任何值。当槽变小时，余量纤维就增加，但是用于余量的空间就减小了。因为非常大的余量是可能性不大的问题，因此要考虑偏离高百分率余量这方面。

下列表用于表示各参数，特别是产生出来的余量相对于槽的尺寸所允许的余量的情况。

可以理解的是大一些或小一些的光缆是可以制作出来的，如果最小弯曲半径可以减小的话，譬如说为50毫米，那么相当于0.8%的余量即能获得。也可以相信在非常短跨度使用的一些设计中，小到0.2%的余量就足够了。

由表可见，最好的配合发生在h为1.8毫米，槽深为2.2（毫米），所产生出的余量为0.485毫米，允许的余量等于0.49（毫米）。这给出的最大伸长率为0.735，最大张力为23772（牛顿）最大额定张力为21096（牛顿），並得到张力的安全余量为2676（牛顿）。

作为上述计算的结果，光缆芯件最佳尺寸如下：

直径（2d）    10.0毫米+或-0.15

槽宽（2F）    3.8毫米+或-0.1毫米

凸缘半径（E）    0.5毫米+或-0.1

槽底角半径    0.5毫米+或-0.1

h    ＝1.8毫米

h+d    ＝6.8毫米+或-0.1毫米

光导纤维带状元件    0.175毫米

厚度

带状元件在单槽芯件中的最大优点在于有能力对于例如短跨距的情况下降低整个光缆的尺寸。例如这样的光缆尺寸为芯件直径正好为5毫米，它可能具有2毫米槽宽，2毫米槽深，内部松弛地放置了包括如4根光缆的一个带状光导纤维元件。尤其是这提供了一种非常柔韧的光缆，它适用于如本地区电报杆架线或沿铁路的架线。

在进一步改型中建议在挤压器49中使用管状模並省掉缠带操作 站48，及在原来缠带站48占据的位置上将该挤压器放置上。这就能够进行单线生产的布置。再者就是在图5中的“凹陷”27a可以这样加以避免，即使用管状模截面的造形致使凹陷27a变成为槽壁顶部21A及21B之间直接的“平”搭接。因此这提供给余量纤维比在已描述过的实施例中更多的空间。

所描述的光缆（除图2中实施例外）是打算利用普通具有加强的上部及下部垫杆件及螺旋减振器的电缆支承夹件、将它悬挂在架空电缆塔上。